Программное обеспечение САПР

программ для технологического оборудования с числовым программным  управлением (ЧПУ), моделирование процессов  обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ (NC — Numerical Control), расчет норм времени обработки. Наиболее известны (к 1999 г.) следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные для машиностроения. «Тяжелые» системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт): Unigraphics (EDS Unigraphics); Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC — Parametric Technology Corp.), CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

«Легкие» системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (НИВЦ АСК, Москва).

Системы, занимающие промежуточное  положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (Топ Системы, Москва) и другие. C ростом возможностей персональных КОМПЬЮТЕРА (-ОВ) грани между «тяжелыми» и «легкими» CAD/CAM-системами постепенно стираются.

2 Обзор САПР

2.1 Тяжелые САПР

Традиционно, продукты САПР для машиностроения разделены  на 3 класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация сложилась исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами вот-вот сотрутся, они остаются, так как системы по-прежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям. В результате сейчас в этой области имеется несколько мощных систем, своего рода «Гигантов» мира САПР, стабильно развивающиеся продукты среднего класса и получившие массовое распространение недорогие «легкие» программы. Имеется и так называемая «внеклассовая прослойка общества», роль которой выполняют различные специализированные решения.

Компьютерная  технология призвана не автоматизировать традиционно существующие технологические звенья (так как это обычно не дает какого-либо эффекта, за исключением некоторого изменения условий труда), а принципиально изменить саму технологию проектирования и производства изделий. Только в этом случае можно ожидать существенного сокращения сроков создания изделий, снижения затрат на весь жизненный цикл изделия, повышения качества изделий.

Прежде всего, применительно  к созданию сложных изделий машиностроения, в основе организации компьютерной технологии лежит создание полного электронного макета изделия, так как именно создание трехмерных электронных моделей, адекватных реально проектируемому изделию, открывает колоссальные возможности для создания более качественной продукции (особенно сложной, наукоемкой продукции) и в более сжатые сроки.

В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных  изделий все участвующие в  проектировании должны, работая одновременно и наблюдая работу друг друга, создавать сразу на компьютерах электронные модели деталей, узлов, агрегатов, систем и всего изделия в целом (Приложение Б).

При этом одновременно решать задачи концептуального необходимо проектирования, всевозможных видов инженерного анализа, моделирования ситуаций, а также компоновки изделия и формирования внешних обводов. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, эту информацию следует использовать для технологической подготовки производства и производства как такового. Кроме того, необходимо автоматизировано управлять и всеми создаваемыми данными электронной модели (то есть структурой изделия), и самим процессом создания изделия, и к тому же иметь возможность управлять структурой процесса создания изделия.

Для реализации именно компьютерной технологии проектирования и производства должны применяться системы автоматизированного  проектирования инженерного анализа  и технологической подготовки производства (CAD/CAE/CAM) высшего уровня, а также  системы управления проектом (PDM - Product Data Management).

Что такое система CAD/CAE/CAM высшего  уровня? Это такая система, которая, во-первых, обеспечивает весь цикл создания изделия от концептуальной идеи до реализации, а во-вторых (и это  самое главное), создает проектно-технологическую среду для одновременной работы всех участников создания изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия (Приложение Б, рис. 2).

На Западе эта организационная  философия обозначается аббревиатурой CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment), что можно перевести как «Единая среда создания изделия от идеи до реализации». По существу, именно то, в какой степени система реализует указанную философию, и определяет уровень системы. Руководствуясь такой концепцией, можно резко сократить цикл создания изделия, повысить технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в изготовлении оснастки и самого изделия благодаря тому, что в подобном случае все данные взаимосвязаны и контролируемы.

В настоящее время на рынке  осталось лишь три САПР верхнего ценового класса - Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Раньше мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний, число пакетов сократилось.

Упомянутые компании - лидеры в  области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка в денежном выражении. Главная особенность  «тяжелых» САПР - обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы - все это результат длительного развития. Однако, эти системы немолоды - CATIA появилась в 1981 г., Pro/Engineer - в 1988 г., а Unigraphics NX, хотя и вышла в 2002 г., является результатом слияния двух весьма почтенных по возрасту систем - Unigraphics и I-Deas, полученных фирмой EDS в результате приобретения компаний Unigraphics и SDRC. Все названные программы включают средства трехмерного твердотельного и поверхностного моделирования, а также модули структурного анализа и подготовки к производству, т. е. являются интегрированными пакетами CAD/CAM/CAE. Кроме того, все три поставщика предлагают для своих САПР системы управления инженерными данными (PDM), позволяющие управлять всей конструкторско-технологической документацией и предоставлять дополнительные данные, экспортированные из других корпоративных систем, из справочников и нормативных источников. 
Несмотря на то, что тяжелые системы стоят значительно дороже своих более «легких» собратьев (десятки тысяч долларов за одно рабочее место), затраты на их приобретение окупаются, особенно когда речь идет о сложном производстве, например машиностроении, двигателестроении, авиационной и аэрокосмической промышленности. Однако крупных клиентов, способных платить за САПР миллионы долларов не так много. По мнению аналитиков, этот сегмент рынка уже практически насыщен и поделен между «китами» индустрии. Сейчас производители средств автоматизации проектирования возлагают надежды на предприятия среднего и малого бизнеса, которых гораздо больше, чем промышленных гигантов. Для них предназначены системы среднего и легкого классов.

2.2 Средний класс САПР

В мире САПР средний класс  возник позднее двух остальных - в  начале 90-х. До этого средствами трехмерного  твердотельного моделирования обладали лишь дорогие тяжелые системы, а  легкие программы служили для  двумерного черчения. Средние САПР заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами, унаследовав от первых трехмерные параметрические возможности, а от вторых - невысокую цену и ориентацию на платформу Windows. Они произвели революционный переворот в мире САПР, открыв небольшим конструкторским организациям путь для перехода от двумерного к трехмерному проектированию (Приложение Б).

Важную роль в становлении  среднего класса сыграли два ядра твердотельного параметрического моделирования ACIS и Parasolid, которые появились в  начале 90-х годов и сейчас используются во многих ведущих САПР. Геометрическое ядро служит для точного математического представления трехмерной формы изделия и управления этой моделью. Полученные с его помощью геометрические данные используются системами CAD, CAM и САЕ для разработки конструктивных элементов, сборок и изделий. В настоящее время Parasolid принадлежит фирме EDS, а ACIS - компании Dassault, которые продают лицензии на их использование всем желающим. Таких желающих немало - эти ядра составляют основу более сотни САПР, а число проданных лицензий перевалило за миллион. Успех понятен - ведь использование готового ядра избавляет разработчиков системы от решения трудоемких задач твердотельного моделирования и позволяет сосредоточиться на пользовательском интерфейсе и других функциях. Впрочем, это не значит, что все САПР среднего класса построены на базе этих механизмов. Многие компании ценят независимость и предпочитают разрабатывать собственные «движки». 
К среднему классу аналитики относят системы стоимостью порядка 5-6 тыс. долл. за рабочее место (цены в США). Для сравнения: у тяжелых САПР рабочее место обходится примерно в 20 тыс. долл., но в последнее время поставщики выпустили облегченные версии продуктов, которые стоят дешевле.

По прогнозу аналитической  компании Daratech рост среднего класса будет продолжаться, и предполагается, что до 2008-го рынок будет увеличиваться на 11% в год. Причина такой положительной динамики состоит в активном притоке новых пользователей из обоих смежных лагерей - тяжелых и легких систем. Так, по мнению аналитиков, сейчас становится все больше производителей, недовольных слабой окупаемостью своих инвестиций в дорогие продукты и ищущих более дешевые варианты. С другой стороны, глобализация, нарастание конкуренции и спад мировой экономики заставляют малые и средние предприятия переходить c двумерных САПР на трехмерные, чтобы ускорить выпуск новых изделий в продажу и повысить их качество. Процесс перехода подстегивает улучшение совместимости между 2D- и 3D-системами и увеличение преимуществ САПР среднего класса для повышения производительности труда (Приложение Б).

У средних САПР сейчас существует обширный круг потенциальных  потребителей, и они вольно или  под давлением рынка будут  вынуждены рано или поздно их внедрить. На руку “середнякам” играет и расширение функциональных возможностей этих продуктов. В результате у предприятий, которые хотят получить надежный инструмент для трехмерного моделирования, но могут обойтись без высокоразвитых средств тяжелых САПР, появились дополнительные варианты для выбора ПО. Ведь раньше поставщики утверждали, что средние САПР обладают 80% функций тяжелых продуктов, а их цена составляет всего 20% от стоимости дорогих систем. Теперь, считают аналитики из Daratech, по возможностям “середняки” приближаются к 90%, а по стоимости - к 50%.

Безусловно, даже этот 10%-ный  разрыв нельзя сбрасывать со счетов. Например, предприятиям автомобильной и авиакосмической  промышленности крайне необходим передовой  функционал, присущий только “тяжеловесам”. Поэтому различие между этими двумя классами существует и сохранится в течение обозримого будущего, так как разработчики и тех и других систем не сидят сложа руки, а будут и впредь совершенствовать свои продукты. Пионером в области средних САПР стала компания SolidWorks. В 1993 г. она представила одноименный продукт, обладающий трехмерным геометрическим ядром, который, по утверждению создателей, по возможностям приближался к механизмам твердотельного моделирования тяжелых систем, но стоил гораздо дешевле. Вскоре примеру первопроходца последовала фирма Solid Edge, выпустившая одноименную САПР, а затем и Autodesk. Она сначала разработала трехмерную программу Mechanical Desktop на базе двумерной AutoCAD, а затем создала новое ПО Inventor. Помимо этих систем на рынке есть немало других САПР среднего класса, например think3, Cadkey, Alibre. Есть среди них и российские разработки. Так, компания АСКОН продвигает систему КОМПАС на базе собственного геометрического ядра, а фирма «Топ Системы» — программу T-Flex на основе ядра Parasolid, принадлежащего UGS. Они также прошли длительный путь развития и обзавелись встроенными средствами поверхностного моделирования, управления документами (PDM), технологической подготовки производства (CAM) и т. д., но при этом стоят существенно дешевле зарубежных аналогов и изначально ориентированы на отечественные стандарты и приемы проектирования.

2.3 Легкие системы

Программы данной категории  служат для двумерного черчения, поэтому  их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР.

Первая чертежная система Sketchpad была создана еще в начале 60-х годов, а затем появилось немало других продуктов такого рода, использующих достижения компьютерной графики. Однако подлинный расцвет в этой области наступил лишь в 80-е годы с появлением персональных компьютеров. Вслед за снижением стоимости оборудования последовал обвал цен и на САПР.

Пионером в этой области  стала компания Autodesk, которая в 1983 г. выпустила САПР для ПК под названием AutoCAD. Успех был феноменальным  — уже в 1987 г. было продано 100 тыс. копий AutoCAD, а сегодня это число  превышает четыре миллиона. В результате Autodesk удалось отхватить изрядную долю рынка САПР, вытеснив тяжеловесов из сегмента программ для двумерного черчения. Примеру первопроходца последовали и остальные игроки. Так, в 1984 г. фирма Bently представила программу Microstation, которая стала основным конкурентом AutoCAD’а. Кроме них сейчас существует множество других «легких» САПР, включая DataCAD одноименной компании, TurboCAD фирмы IMSI, SurfCAM от Surfware и другие. Эти продукты проще и дешевле (100 — 4000 долл.) тяжелых и средних САПР, поэтому пользуются спросом, несмотря на нынешний экономический спад. В результате «легкие» системы стали самым распространенным продуктом автоматизации проектирования, своего рода «рабочей лошадкой» мира САПР.

3 Программное обеспечение САПР

3.1 Состав программного  обеспечения САПР

Программное обеспечение  САПР (ПО САПР) представляет собой сложную  программную систему, включающую в  себя десятки и сотни компонентов. ПО САПР - это совокупность программ на машинных носителях с необходимой программной документацией, предназначенной для выполнения автоматизированного проектирования.

Создание ПО САПР - трудная  научно-техническая задача, для решения  которой требуются большие материальные затраты. Известны САПР, ПО которых  насчитывает до 500 тыс. операторов языка программирования. Разработка такого ПО требует сотен и тысяч человеко-лет, причем требования к квалификации разработчиков таких систем очень высоки. Например, в разработке САПР морских судов, оцениваемой в 600 человеко-лет, принимало участие 15 организаций. Стоимость современных САПР определяется главным образом стоимостью ПО, которое в несколько раз превышает стоимость технического обеспечения.²

Средняя производительность труда программистов в организациях, занимающихся промышленной разработкой ПО, составляет 1000-2000 операторов в год. В США цена одного оператора программы колеблется в зависимости от степени сложности ПО от 15 до 700 $ ; по данным на 1985 г. один час работы программиста стоит в 5 раз дороже одного часа работы КОМПЬЮТЕРА (-ОВ) быстродействием 300 тыс. операций/с. Приведенные данные касаются ПО, представляющего собой законченный программный продукт, поставляемый как промышленное изделие. В отличие от программ индивидуального пользования, предназначенных только для обслуживания их разработчика, программный продукт: